DE2824497A1

DE2824497A1 - Digital nachbildender tastaturton- audiosignalgenerator

Info

Publication number: DE2824497A1
Application number: DE19782824497
Authority: DE
Inventors: Don William Lake
Original assignee: Fairchild Camera and Instrument Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1978-06-03
Publication date: 1979-01-04
Also published as: US4132871A; FR2395640A1; JPS548956A; GB1594681A; FR2395640B1; CA1106088A

Description

- 6 -FRIEL)RICtI B. fiSCHfifi sooo kUi.f-3 LO

PATENTANWALT

Fairchild Camera and Instrument F 7830

Corporation

464 Ellis Street

Mountain View, California 94040

Digital nachbildender Tastaturton-AudioSignalgenerator

Bei den gegenwärtig in weitem Umfang in der Fernsprechwähltechnik ("dialing") verwendeten Tastaturtonv/ählsystemen (touch-tone systems) wird eine Drei- zu Vier-Schaltmatrix benutzt, um ein zusammengesetztes Audiosignal zu wählen, welches eine von vier unteren Bandfrequenzen und eine von drei oberen Bandfrequenzen, welche in die Matrix gekoppelt sind, enthält. Diese sieben Frequenzen sind im wesentlichen sinusförmige Schwingungsformen, welche durch konventionelle handverdrahtete Audiooszillatoren erzeugt werden, die im allgemeinen innerhalb des Gehäuses des Telofonapparats untergebracht sind. Die gegenwärtig verfügbaren Tastaturtonsysteme haben durchweg befriedigende Betriebseigenschaften, wenn sie genau eingestellt sind, jedoch haben sie den Nachteil, daß sie durch Stöße oder Vibrationen verstimmt werden, so daß dann Fehl-Wählvorgänge auftreten können. Auch werden die bekannten Tastaturton-Generatoren in Fließbandfertigung hergestellt; infolge der ständig ansteigenden Lohnkosten sind daher die Kosten der gegenwärtigen Tastaturtonsysteme verhältnismäßig hoch, und die Tendenz der Kosten ist steigend.

Erfindungsgemäß ist ein Tongenerator vorgesehen, welcher eine in Festkörperbauart hergestellte integrierte Schaltungsanordnung aufweist, die in dem kleinen IC-Einbauteil raumsparend untergebracht werden kann und deren Kosten o^e Stück mit steigender Produktion abnehmen. Da der Generator ein Festkörperbauteil ist, ist er robust und stabil, so daß sich die Frequenzen

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nicht bei Stoßen oder Vibrationen ändern. Auch bietet die Anordnung gemäß der Erfind.uKg den Vor beil, daß bei Beschädigung oder Zerstörung der Schaltung ein Ersatz ohne Schwierigkeiten möglich ißt, und zwar auch im Außendienst.

Gemäß der Erfindung vorgesehen 'ist eine Digitalschaltung in Fe-st-körpcrbauart, welche ein Audio-Ausgangssignal liefert, das durch eine Digital-Analog-Urosetserschaltung rait gesteuerter Ladung erzeugt ist; die umsetzerschaltung nimmt eine binäre Impulsfolge auf, welche die Kombination gewählter oberer und unterer Frequenz-Audiosignale repräsentiert, wie sie in einem Feriisprech-Tastatur-tonsyste-a erzeugt werden* Alle Binärsi/p'iale in der Schaltung werden abgeleitet von einem stabilen kristallgosteuerten Oszillator, welcher Hoohfrequenzsignale erzeugt, die in geeigneter ¥eise heruntergeteilt werden bis zu den gewünschten Impulsfrequenzen, Vielehe dann verwendet werden, um geeignete Ausgangsimpulsfolgen zu wählen, welche von einera selbsterregten digitalen Mustergenerator erzeugt v/erden, der kontinuierlich sieben Ausgangsimpulsfolgen erzeugt, welche die Neigungen an sieben in gleichen Abständen angeordneten Punkten einer Viertel--Sinuswelle repräsentieren» Die gewählten Impulsfolgen v/erden dann durch Impulsbreitenmodulation moduliert, um die genaue Steigung für jede der oberen und unteren Frequenzen einzustellen, und die ausgehenden oberen und unteren Bit-Ströme werden in einer Kombinationsschaltung in die endgültige Impulsfolge zur Einführung in den Digital-Analog-Umsetzer kombiniert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt im Blockschaltbild die Anordnung der verschiedenen Komponenten der Schaltung gemäß der Erfindung.

Figur 2 zeigt ein schematisches Schaltbild der Digital-Analog-Umsetzerschaltung mit gesteuerter Ladung und-das Arbeitsprinzip dieser Schaltung.

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Figur 3 zeigt eine ßchwingu-tt^sform zur näheren Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung einer synthetischen Sinusform aus den Konverter gemäß Fig» 2.

Figur 4 zeigt einen Teil einer Schwingungsform, welche aus mehreren dor in Fig. 3 dargestellten Segmente gebildet ist.

Figur 5 seigt bevorzugte Ausführungsformen von Ausgangssignalen, v'elcho von den in Fig.. 1 dargestellten Aufwärts/Abwärts-Zählern erzeugt sind*

Figur 6 seigt als Ausführungsbeispiel die von dem Mustergenerator gemäß Fig. 1 erzeugten sieben Bitströme.

Figur 7 zeigt als bevorzugte Ausführungsform die verschiedenen in der Schaltung gemäß Fig. 1 erzeugten Taktsignale.

Figur 8 zeigt verschiedene Grade von Signalen der Impulsweitenmodulation, welche in den in Fig. 1 dargestellten Untersetzern erzeugt v/erden.

Figur 9 zeigt ein Beispiel der Impulsbreitenmodulation der Mustergeneratorbits und die resultierende analoge Schwingungsform.

Figur 10 zeigt eine Schwingungsform zur Darstellung der Multiplexwirkung für die Kombinierung einer oberen und einer unteren Frequenz in der in Fig. 1 dargestellten Bitstrom-Kombinationsschaltung.

Die Wirkungsweise der Schaltung gemäß der Erfindung beruht auf dem Prinzip, digitale Signale zu erzeugen, welche die sieben in Tastaturton-Fernsprechsystemen verwendeten Audiofrequenzen repräsentieren, von einer externen 2 zu 7 Fernsprechtastaturmatrix gewählte Signalpaare zu mischen und den resultierenden

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digitalen Bitstrom in entsprechende analoge Audiοsignale umzusetzen.

Eine Tastaturton-Tastenanordnung üblicher Bauart enthält zwölf in einer 3 zu 4-Matrix angeordnete Tasten. Bei Niederdrücken einer Taste wird ein Ausgangssignal erzeugt, welches durch die Kombination von zwei von sieben verschiedenen Audiofrequenzen gebildet ist, welche lokal durch einen geeigneten Generator innerhalb des Tisch- oder Wandferiisprechapparates erzeugt werden. Die sieben Frequenzen sind unterteilt in eine untere Gruppe mit den Frequenzen 697 Hz, 770 Hz, 852 Hz und 941 Hz und eine obere Gruppe mit den Frequenzen 1209 Hz, 1336 Hz und 1447 Hz.

Das Blockschaltbild gemäß Fig* 1 zeigt wesentliche Komponenten der Schaltung gemäß der Erfindung. Digitale Signale, welche den sieben Tonfrequenzen proportional sind, v/erden von einem wählbaren Teiler 10 erzeugt, dessen Takt von einem Kristall üblicher Bauart mit 3,58 MHz gesteuert ist. Kristall 12 ist ein Standardteil, wie es in handelsüblichen Fernsehbauteilen verwendet wird, und es stellt für einen verhältnismäßig niedrigen Preis eine über längere Zeiträume stabile Frequenz zur Verfügung. Wie nachfolgend noch im einzelnen beschrieben werden wird, erzeugt der Teiler 10 im Betrieb kontinuierlich verschiedene Takt-Ausgangssignale auf Leitungen 14 bis 24. Bei Niederdrücken einer Taste in Tastatur 26 v/erden Gleichstromsignale durch zwei der sieben Leiter 28 zu dem Teiler weitergegeben, und dieser sendet daraufhin ein unteres Frequenz-Taktsignal, welches der gewählten unteren Gruppenfrequenz proportional ist, zu einem unteren Gruppenteiler und Aufwärts/Abwärts-Zähler 30, und ein oberes Frequenz-Taktsignal, welches der gewählten oberen Gruppenfrequenz proportional ist, zu dem oberen Gruppenteiler und Aufwärts/Abwärts-Zähler 32. Aus Gründen, welche nachfolgend noch näher beschrieben werden, betragen die an die Zähler 30 und 32 angelegten digitalen Impulsfolgen das 28fache der unteren Gruppenfrequenz und der oberen Gruppenfrequenz, entsprechend der Wahl durch Niederdrücken der Taste in der

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Tastatur 26.

Der Teiler 10 muß binäre Ausgangssignale zu den Zählern 30 und 32 liefern, welche das 28fo.che der Frequenz jeder der genannten sieben einseinen Taotaturtonfrequenzen haben. Um diese Frequenzen zu erhalten, muß der Teiler 10 die Grundfrequenz von 3,58 MIz des Kristalls 12 durch die folgenden Werte dividieren: 184, 166, 150 und I36, um Signale zu erhalten, welche das 28:Cache der unteren Bandfrequenzen beti-agen, und durch die Werte 106, 96 und 88, um Signale zu erhalten, welche gleich dem 28fachen der oberen Bandfrequenzen sind.

Muster-Generator 34 arbeitet bei einer Taktfrequenz von einem Zehntel der Frequenz des Kristalls 12. Der Muster-Generator ist ein selbsterregter (free-running) Zähler, welcher sieben feste binäre Muster-Bitströme bei seinen sieben Ausgangsleitern 36 erzeugt. Wie nachfolgend noch näher beschrieben werden wird, repräsentiert jeder der sieben von dem Muster-Generator 34 erzeugten Bitströme eine bestimmte Steigung auf einer Sinuskurve.

An eine Untersetzungsschaltung 38 v/erden die von dem Muster-Generator 34 erzeugten, die sieben Steigungen repräsentierenden binären Signale, die von dem wählbaren Teiler 10 erzeugten sechs Taktfrequenzen und ein Paar der von der Tastatur 26 ausgesandten Gleichstromsignale angelegt. Auch v/erden an die Untersetzungsschaltung 38 die sieben Ausgangssignale aus jeder der Teiler- und Aufwärts/Abwärts-Zählschaltungen 30 und 32 angelegt. Wie nachfolgend noch beschrieben v/erden wird, identifizieren die Zähler 30 und 32 jeweils eine von sieben in gleichen Abständen angeordneten Stellen einer "Viertel-Sinuskurve, und im Betrieb wählt jedes der sieben Ausgangssignale aus den Zählern 30 und 32 ein bestimmtes Steigungsmuster aus den sieben Ausgängen des Muster-Generators 34. Die sechs Taktsignale, welche von dem Teiler 10 erzeugt werden und in die

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Uuteriic-tramgsßohaltung 3S über die Leiter 14 bis 24 eingeführt ivercuijij werden in der UnternotzungsBchaltung 3ö derart dekodiert, daß zehn Kodulat:i.onsg.rade entstehen, welche jeweils durch die GleichGtromsiguale aus Tastatur 26, die in die Unter™ fjetzungßschaltung 36 über Leiter 2G gelangen, gewählt werden. Die Untorr.etzungsschaltung 33 nimmt daraufhin mit jedem Bit der gewühlten Bitfolgen des Muster-Generators 34 eine Impair— v.'citcrsi'iodulation vor, und man erhält für jode der sieben verschiedenen Steigungspositionen in der Viertclwelle eine neue Steigung, welche hinsichtlich der Frequenz korrigiert ist»

Die Untersotzungsachaltung 38 enthält zwei identische Untersetzer und iEipulsweitenmodiilatoren, von denen einer auf die gewählte Frequenz in der unteren Frequenzgruppe und einer auf die gewählte Frequenz in der oberen Gruppe arbeitet. Nach dem Schritt der Impulßweitenmodulation werden die beiden Bitströme, welche die zwei gewählten Frequenzen repräsentieren, an einen Bitstromassembler 40 angelegt, welcher die beiden binären Signale zu einer einzigen Impulsfolge kombiniert, die die kombinierten Frequenzen repräsentiert. Diese v/erden durch einen geeigneten Verstärker 42 v/eitergegeben, und sie gelangen dann zum Digital-Analog-Umsetzer mit gesteuerter Ladung, welcher einen Serienwiderstand 44 gefolgt von einem geerdeten Kondensator 46 aufweist.

Nachfolgend wird der Digital-Analog-Umsetzer beschrieben. Fig. 2 zeigt vereinfacht ein Schaltbild des Digital-Analog-Umsetzers mit gesteuerter Ladung. Als "gesteuerte Ladung" wird die selektive Ladung oder Entladung eines Kondensators bezeichnet, welche derart erfolgt, daß die resultierende Spannung auf dem Kondensator der gewünschten Spannung entspricht. Dies wird dadurch erreicht, daß nur ein zweiwertiges oder binäres Signal durch ein RC-Netzwerk geleitet wird, wie es beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Das Verhältnis zwischen der Zeit, in der der zweiwertige Zustand positiv ist, gegenüber der Zeit, in der er negativ ist, bestimmt die resultierende Spannung. Wenn beispielsweise in zwanzig Zeiteinheiten zehn

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positive bzw. ladende Inkremente und zehn negative bzw, entladende Inkreinsnte auftreten, so würde die resultierende Differenz zwischen Beginn und Ende Null sein. Wenn- dagegen während dieser zwanzig Zeiteinheiten 15 ladende Bits, welche hier als binäre "1"en bezeichnet sind, und nur 5 binäre "O"en bzw. entladende Bits vorhanden sind, so würde die resultierende Amplitude um zehn Einheiten höher als die ursprüngliche Amplitude sein. Durch Steuerung des Verhältnisses zwischen ladenden und entladenden Bits, den "1"en und "O"en, können daher sowohl die endgültigen Amplituden als auch die Änderungsgeschwindigkeit der Amplituden gesteuert werden. Wie in Fig. dargestellt ist, erzeugt ein binäres Eingangssignal 110100 eine Ausgangsschwingungsform 48, welche um zwei Einheiten ansteigt, um eine fällt, um eine ansteigt und dann um zwei Einheiten fällt.

Fig. 3 zeigt, daß eine kontinuierliche Folge von binären ^IT1^Men benutzt v/erden kann, um ein konstantes Segment 50 mit fester bzw. konstanter Steigung zu erzeugen. Die Einführung von binären "0"en in das Eingangssignal führt zu einem Sägezahneffekt, der durch Bezugszeichen 52 in Fig. 3 dargestellt ist, und es ergibt sich ein resultierendes Segment mit geringerer Steigung, wie durch die Schwingungsform 54 dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt, daß eine Sinus-Schwingung durch mehrere gerade Liniensegmente dargestellt werden kann, welche jeweils eine geeignete positive oder negative Steigung haben, wobei sich jedes gerade Liniensegment aus einem Sägezahnsegment ergibt, beispielsweise Segment 54. Die Sinusschwingung kann eine verhältnismäßig hohe Frequenz haben, beispielsweise die Schwingungsform 56; durch entsprechende Reduzierung der Steigung in jedem Segment kann indessen auch eine Schwingungsform 58 mit niedrigerer Frequenz erzeugt werden. In Fig. 4 ist die Frequenz der Schwingungsform 56 etwa doppelt so groß wie die der Schwingungsform 58. Beide Schwingungsformen werden vollständig erzeugt durch Anlegen geeigneter binärer Bitfoüg^n an

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den Eingang des in Fig. 2 dargestellten Digital-Analog-Umsetzers .

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ändern sich die Steigungen bei den Schwingungsformen 56 und 58 in Punkten, welche einem Siebentel Jedes Viertelwellenpunkts entsprechen, bzw. zeitlich ,jeweils nach 12,86°. Die bei jedem Siebentel jeder Viertelwelle der Hochfrequenzschwingungsforra 56 auftretenden Änderungen sind geringer als die, welche jeweils in dem entsprechenden Punkt der Schwingungsform 58 niedrigerer Frequenz auftreten. Da bei jedem Segment in jeder Schwingungsform eine andere Steigung vorhanden ist, muß die Schaltung zur Erzeugung der Schwingungsform jedes Segment identifizieren, und es muß ein Signal zur Verfügung stehen, das angibt, welches Segment für jede der Frequenzen in den oberen und unteren Bändern vorhanden ist. Diese Signale werden von den Aufwärts/Abwärts~Zählern 30 und 32 erzeugt. Wie bereits festgestellt, empfangen die Zähler 30 und 32 von dem Teiler 10 binäre Taktsignale, Vielehe das 28fache der entsprechenden durch Tastatur 26 gewählten Frequenzen sind. Die Zähler 30 und 32 dividieren diese jeweilige Eingangs-Taktfrequenz durch 7, um jedes der sieben Segmente in der Viertelwelle darzustellen, und sie erzeugen sieben Ausgangsimpulsmuster entsprechend der Darstellung in Fig. 5. Jeder dieser in geeigneter Weise zeitlich gesteuerten Impulse wird verwendet zur Wahl einer Steigung in jedem Siebentelpunkt in der zu erzeugenden Viertelwelle, also insgesamt 28 Steigungen bei einem kompletten Zyklus.

Der in Fig. 1 dargestellte Muster-Generator 34 ist über Leiter derart mit dem Teiler 10 gekoppelt, daß er ein Kombinationstaktsignal (assembly clock signal) empfängt, welches mit einem Zehntel der Kristallfrequenz bzw. 358 KHz arbeitet. Dieses Taktsignal wird in dem Muster-Generator durch zwei geteilt, so daß ein Muster-Generator-Taktsignai erzeugt wird, welches bei 179 KHz arbeitet und den selbsterregten Zähler des Generators steuert. Generator 34 erzeugt auf sieben Ausgangsleitern 36

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einen kontinuierlich wiederholten Ausgang von sieben binären Bitströmcn 60 bin 66 gemäß der Darstellung in Fig. 6. Jeder der sieben Bitströme repräsentiert eine Steigung auf der Sinusschwingung mit der höchsten Frequenz, welche von der Schaltung zu erzeugen ist. 1-ie in Fig. 6 dargestellt ist> enthält die AuGgangsirapulsfolge 66 fünfzehn Bits binärer "1"en, welche bei Anlegen an die Digital-Analog-Umsetzer 44 und 56 mit gesteuerter Ladung die höchste Steigung erzeugen. Andererseits enthält der Aucgangs-Bitstrom 60 (Fig. 6) die gleiche Zahl von "1"en und "0^uen, und es wird daher eine Ausgangsschwingungsform mit der Steigung Null erzeugt.

Wie bereits festgestellt wurde, empfängt der Teiler 10 ein 3,58 KHz-Signal von dem Kristall 12, und er teilt diese Frequenz in geeigneter Weise derart, daß Ausgangssignsle zu den Zählern 30 und 32 weitergegeben werden, welche das 23fache der Frequenz betragen, die von der äußeren Tastatur 26 gewählt wird. Der Teiler 10 erzeugt auch Taktfrequenzen für die Betriebsweise der Untersetzungsschaltung 38. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, liefert der Teiler 10 zur Untersetzungsschaltung 38 die Impulsfolge 70, welche die Kristallfrequenz von 3,58 MHz ist. Eine zweite Taktfrequenz 72 von 1,79 MIz wird auch von dem Teiler an die Untersetzungsschaltung 38 angelegt. Taktfrequenzen 74j 76 und 78 sind Untersetzungs-Taktfrequenzen, welche j eine Frequenz von einem Fünftel der Kristallfrequenz und ein Tastverhältnis (duty cycle) von 40/60 haben. Die Untersetzungs- ; Taktfrequenz 76 ist gegenüber der Taktfrequenz 74 um eine |

Kristallschwingung zeitlich verzögert, und die Taktfrequenz 78 ' ist um den gleichen Betrag gegenüber der Taktfrequenz 76 ver- _;

zögert. Der Teiler 10 erzeugt auch ein Kombinationstaktsignal j (assembly clock) 80, welches ein Taktsignal mit einem Tastverhältnis von 50 °/o ist und mit einem Zehntel der Kristallfrequenz, 358 KfIz, arbeitet. Ein weiteres in Fig. 7 dargestelltes Taktsignal 82 ist ein Muster-Generator-Taktsignal, welches in dem Muster-Generator 34 erzeugt wird; es hat die halbe Frequenz des Kombinationstaktsignals 80, und es wird in die Untersetzungs-

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schaltung >3 über Leiter 84 eingeführt«,

Ivie bereits beschrieben« repräsentieren die sieben Ausgangsiinpulsfolgen des Muster-Genforators 34 Steigungen an sieben in gleichen Abständen angeordneten Fun.li.ten in ,jeder Viertelschwingung der höchsten zu erzeugenden Frequenz. Die sieben Steigungsmuster repräsentieren positive Steigungen; die entsprechenden negativen Steigungen erhält man dadurch, daß die invertierten "Werte der Impulsfolgen gewählt werden. Die Tastatur 26 wählt zwei von sieben verschiedenen Frequenzen; dementsprechend sind für sieben Frequenzen insgesamt 49 verschiedene Steigungen erforderlich.· Ds ist möglich, 49 Steigungen in einem Muster-Generator, beispielsweise Generator 3^·» zu erzeugen. Einfacher und wirtschaftlicher ist es jedoch, diejenigen Signale zu verwenden, welche die sieben höchsten Frequenzsteigungen aus Generator 34 repräsentieren und diese Steigungen so zu untersetzen, wie es bei den restlichen sechs unteren Frequenzen der Tastaturtonirequenzen erforderlich ist.-Dies ist die Aufgabe der Untersetzungsschaltung 38.

In Zusammenhang mit den in Fig. 7 dargestellten Taktsignalen ist zu berücksichtigen, daß während eines vollständigen Zyklus des Muster-Generator-Taktsignals 82 keine duplizierten binären Muster in der Kombination aller Taktsignale 70 bis 82 vorhanden sind. Daher kann die Binärzahl, welche dem Bezugszeichen 86 entspricht, gelesen werden als 1110011, während die nächste benachbarte Binärzahl, die Bezugszeichen 88 entspricht, als 1110010 gelesen werden kann. Innerhalb der Untersetzungsschaltung 38 befindet sich ein Dekodierungsnetzwerk, welches die Impulsmuster 70 bis 82 dekodiert und Ausgänge erzeugt, wie sie in Figur 8 dargestellt sind.

Die in Fig. 8 gezeigten Impulsfolgen repräsentieren verschiedene Modulationsgrade, welche durch eine Impulsbreitenmodulationsschaltung innerhalb der Untersetzungsschaltung 38 bei jedem der positiven und negativen Bits in dem gewählten Steigungs-

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Bitstrom des Muster-Generators 34 (Pig. 6) benutzt werden. Das in Fig. 8 dargestellte Modulationsmuster 90 repräsentiert einen Modulationsgrad von 100 %, das Muster 92 90 %_t das Muster 94 80 %, u.s.w. bis hinab zum Modulationsmuster 110, welches 0 % repräsentiert, da es die gleiche Zahl von "1ⁿen und "0"en hat und demnach ein horizontales Segment darstellt, wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde. Offensichtlich ist das 100 ?uige Modulationsmuster 90 nicht erforderlich, und es wird daher in der Schaltung nicht verwendet, da die durch den Muster-Generator 34 erzeugten Signale bereits die Steigung für das zu erzeugende Signal mit der höchsten Frequenz repräsentieren. Alle Modulationsmuster 92 bis 110 stehen zur Verfugung für die Wahl durch die Ausgangssignale aus der Tastatur 26. I'tenn daher die höchste Frequenz von der Tastatur gewählt ist, wird der obere Gruppenteiler und Aufwärts/Abwärts-Zähler 32 die entsprechenden sieben Steigungen wählen, welche in jedem der sieben Punkte in der zu erzeugenden Viertelwelle anzuwenden sind, beispielsweise Schwingungsform 56 in Fig. 4. Venn dagegen an der Tastatur 26 eine niedrige Frequenz gewählt wird, beispielsweise Schwingungsform 58, welche die Hälfte der Frequenz der Schwingungsform 56 (Fig. 4) hat, wird der untere Gruppenteiler und Aufwärts/Abwärts-Zähler 30 in den entsprechenden Zeiten während der sieben Teile der Viertel-Schwingungsform die gleichen sieben Steigungsausgänge aus dem Muster-Generator wählen, jedoch wird er jeden Impuls in dem Steigungsimpulsmuster einer Impulsbreitenmodulation unterziehen, um die herabgesetzten Steigungen zu erhalten, welche für die Ausbildung der Schwingungsform 58 erforderlich sind.

Fig. 9 zeigt die Arbeitsweise des Impulsbreitenmodulators. Bei ■

Fig. 9 ist angenommen, daß der Zähler 30 bzw. 32 ein bestimmtes *

Steigungsimpulsmuster aus Muster-Generator 34 gewählt hat, \

beispielsweise Muster 62 gemäß Fig. 6. Das Muster 62 enthält ;

15 Bits, nämlich die Folge 101110111011101, die sich an- j schließend wiederholt. Das Muster c_2 der Fig. 6 ist in Fig. 9 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Jedes Bit in Muster 62

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unterliegt der Impulsbreitenmodulation durch ein Modulationsmuster, welches für die Jeweils gewählte Frequenz geeignet ist, "beispielsweise das 60 ^-Muster gemäß Fig. 4. Die Regel, die box dem Vorgang der Impulsbreitenmodulation zu befolgen ist, lautet: Kopiere das Modulationsmuster 93, wenn der Muster-Generator-Impuls 62 eine binäre "1" ist; kehre das Modulationsmuster 98 um, wenn der Muster-Generator-Impuls 62 eine "0" ist. Bei Befolgung dieser Regel wird die Ausgangsimpulsfolge 112 erzeugt, welche bei direktem Anlegen an den Digital-Analog-Umsetzer mit gesteuerter Ladung zur Erzeugung einer Ausgangsschwingungsform führt, welche der Schwingungsform 114 in Fig. entspricht. Bei Schwingungsform 114 ist erkennbar, daß alle positiv gerichteten und alle negativ gerichteten Segmente eine identische Steigung haben, und daß die Gesamtkurven-Steigung abhängig ist von der impulsbreitenmodulierten Impulsfolge des Muster-Generators.

Bei der Wahl d.er Modulationsmuster 92 bis 110 gemäß Fig. 8 ist es zweckmäßig, die Schaltung so einzustellen, daß die Frequenzvorverzerrung (Preemphasis) in angemessener V/eise berücksichtigt ist. Es ist erwünscht, daß die gewählten einzelnen Frequenzen auf einer Fernsprechleitung bei gleichen Amplituden empfangen werden. Die Vorverzerrung (Preemphasis) korrigiert Amplituden der erzeugten Frequenzen derart, daß sie den erwarteten Leitungskenngrößen angepaßt sind, indem die anzuwendende Modulation in entsprechender Weise gewählt wird.

Eine weitere Überlegung hinsichtlich der Beschaffenheit der Amplituden steht im Zusammenhang mit dem zur Verfugung stehenden Schleifenstrom (loop current). Je näher ein Fernsprechgerät zur Zentrale angeordnet ist, umso niedriger ist der Leitungswiderstand und umso höher ist dementsprechend der Schleifenstrom und der Signalverlust von dem Generator zum Empfänger. Die Ausgangsamplituden können in der erforderlichen Weise herabgesetzt werden, indem der angewandte Impulsbreitenmodulationsfaktor um einen konstanten Wert bei allen sieben Frequenzen dadurch geändert wird, daß ein geeignetes Signal an die Stromschleifenklemmen 120 (Fig. 1) gelegt wird.

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Durch die Untcrsetzungsschaltung 38 werden die gewählten Frequenzen aus den oberen und unteren Frequenzgruppen der Impulsbreitenmodulation unterzogen entsprechend der Frequenzwahl am Schaltpult 26. Die Ausgangsmuster, beispielsweise Muster 112 in Fig. 9, werden dann in Bitstromassernbler 40 eingegeben, v/elcher entsprechend dem Assernbler-Taktsignal 80 (Fig. 7) die binären Bitströme, welche die gewählten oberen und unteren Frequenzen (Fig. 10) repräsentieren, nach Multiplex-Art zusammengefaßt. Wie aus Fig. 10 hervorgeht, empfängt das feste Frequenzassembler-Taktsignal 80, welches bei einer Frequenz von 358 KEIz und einem 50 ^igen Tastverhältnis (duty cycle) mit der Muster-Generator-Frequenz synchronisiert ist, das Bitstrociniuster 116, welches von dem oberen Gruppenuntersetzer ausgehen kann, und einen zweiten Eingang 118, welcher von dem unteren Gruppenuntersetzer erzeugt sein kann. Am Ende jedes Impulses des Untersetzungstaktsignals 80 ändert sich die Multiplex-Schaltung des Bitstromassemblers 40 derart, daß am Ausgang eine Impulsfolge geliefert wird, welche den binären Bitstrom einer Hälfte der die eine Frequenz repräsentierenden Bits und anschließend die Hälfte der die andere gewählte Frequenz repräsentierenden Bits enthält. Wie Fig. zeigt, ist der Bitstrom 118 in dem Ausgangsbitstrom 120 bis zu der Bit-Mittellinie entsprechend dem Ende des Taktimpulses 80 enthalten, und danach liegt der Bitstrom von 116 am Ausgang an. Durch Anordnung der Impulsbreitenmodulation in der Mitte des von dem Muster erzeugten Bits erhält man das gewünschte Modulationsergebnis für beide Schwingungsformen. Die 50/50 Multiplex bewirkt also die Erzeugung einer zusammengesetzten Bitfolge, welche die Kombination der beiden gewählten Frequenzen repräsentiert, und die Ausgangsschwingungsform aus der Schaltung mit gesteuerter Ladung, welche den Widerstand 44 und den Kondensator 46 enthält, reproduziert die kombinierte AusgangsSchwingungsform entsprechend der Schwingungsform, welche durch die Kombination von zwei Audiosinusschwingfrequenzen erzeugt wird.

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Gemäß der Erfindung v/ird in vorteilhafter Weise ein Festkörper--Signals enerat or ^Zl1-^m Erzeugen von Frequenzkorabinationen geschaffon, wie sie in Pcrnsprechtastaturtcnsysteinen benutzt werden. Der Ausgang eines Kristalloszillators v/ird dabei derart unterteilt, daß man binäre Signale erhält, welche den gewähltem Paaren von sieben Tastaturtonfrequenson proportional sind» Mose Signale weisen mit gewählten binären Ausgangs-Signalen unter.ootzt, welche durch einen selbsterregten Küster-Genorator erzeugt sind und Steigungen an mehreren Punkten einer Sinusschwingung repräsentieren, so daß ein binärer ßignalstroni erzeugt wird, welcher an eine Digital-Analog-Umsetzerschaltung iait gesteuerter Ladung angelegt wird, der einen Kondensator entsprechend den binären "1"en und "O"en partiell lädt oder entlädt, so daß über dem Kondensator eine Schwingungsforrn erzeugt v/ird, welche dem kombinierten Paar der gewählten sinusförmigen Tonfrequenzen entspricht.

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Leerseite

Claims

Da..iNG. FRIEDRICH B. FiSCHER 5000 54Gf.fr! £0 Pairchild Camera and Instrument Corporation 464 Ellis Street Mountain-View, California 94040 P 7830 Ansprüche

1. Signalsynthetisierschaltung zum Erzeugen eines sinusförmigen Signals von einer binären Signalquelle, gekennzeichnet durch

einen Digital-Analog-Umsetzer mit gesteuerter Ladung, einen Steigungsmuster-Generator, welcher mit dem Eingang des Umsetzers derart verbunden ist, daß mehrere binäre Impulsfolgen erzeugt werden, von denen jede den Umsetzer ladende und entladende binäre Bits enthält, welche die Steigung an einem vorgegebenen Punkt von mehreren im gleichen Abstand angeordneten Punkten einer Sinus-Schwingung repräsentieren, und eine taktgesteuerte Selektionsschaltung, welche mit dem Gene rator derart gekoppelt ist, daß sie in Abhängigkeit von einem binären Taktfrequenz-Eingangssignal bestimmte Impulsfolgen wählt.

2. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die taktgesteuerte Selektionsschaltung eine Untersetzungsschaltung enthält, welche die Ladungs- und Entladungsgeschwindigkeiten der Steigungsmuster-Ladungs- und Entladungsbinärbits derart herabsetzt, daß Sinusschwingungen mit verschiedenen Steigungen und Frequenzen synthetisch zusammengesetzt werden.

3. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Untersetzungsschaltung die Ladungs- und Entladungsgescbv/indigkeiten dadurch herabsetzt, daß jedes der Ladungs- und EntladungsbinärMts impulsbreitenmoduliert wird,

4. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Frequenzselektor, welcher mit der Untersetzungsschaltung gekoppelt ist und eine Schaltung zur Erzeugung von Signalen enthält, welche den Grad der Impulsbreitenmodulation bestimmen, die durch die Untersetzungsschaltung bei den Binärbits vorzunehmen ist.

5. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Festfrequenzerzeuger- und Teilerschaltung zum Erzeugen einer festen Frequenz und zum Teilen der Frequenz in mehrere feste binäre Taktfrequenzen, wobei die Festfrequenzerzeuger- und Teilerschaltung mit einer Frequenz gekoppelt ist und von ihr gesteuert wird, welche durch den Frequenzselektor derart gewählt ist, daß ein binäres Taktfrequenz-Eingangssignal erzeugt und an die Untersetzungsschaltung angelegt wird, welches proportional der Frequenz der gewünschten synthetisch zusammengesetzten Ausgangssinusschwingung ist.

6. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Frequenzselektor einen Wähler zur gleichzeitigen Wahl einer ersten und zweiten Frequenz aufweist, welche durch die Signalerzeugerschaltung derart kombiniert werden, daß ein kombiniertes Paar von sinusförmigen Ausgangsschwingungen erzeugt wird, wobei die Festfrequenzerzeugerschaltung aufgrund der gleichzeitigen Wahl erste und zweite binäre Taktfrequenz-Eingangssignale für die Untersetzungsschaltung erzeugt.

7. Audiofrequenz-Signalerzeugerschaltung zum synthetischen Erzeugen von Signalen entsprechend der Kombination

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eines Paares von Sinusschwingungen von verschiedenen Audio-Frequenzen, gekennzeichnet durch

einen Frequenzselektiv zum Erzeugen eines ersten und eines zweiten elektrischen Ausgangssignals, welche die gewählte erste "bzw. zweite Audiofrequenz repräsentieren,

einen Festfrequenz-Signalerzeuger,

eine Frequenzteilerschaltung, welche mit dem Frequenzselektor und dem ,Signalerzeuger derart gekoppelt ist, daß das Signal des Signalerzeugers geteilt wird in mehrere "binäre Festfrequenz-Taktsignale und in erste und zweite binäre Frequenztaktsignale, welche den gewählten ersten bzw. zweiten Audiofrequenzen proportional sind,

eine erste und eine zweite Teilerschaltung, welche die ersten bzw« zweiten binären Frequenztaktsignale aufnehmen und Schaltungen zur Teilung ihres entsprechenden binären Taktsignals durch eine vorgegebene ganze Zahl enthalten, welche gleich der Zahl der vorgegebenen Punkte auf jedem Viertel'einer synthetisierten Sinusschwingung ist, wobei in dem Punkt die Steigung der Sinusschwingung durch die Signalerzeugerschaltung zu ändern ist,

einen Muster-Generator, welcher von einem der binären Festfrequenz-Taktsignale gesteuert wird, welche von der Frequenzteilerschaltung erzeugt v/erden, derart, daß mehrere binäre Ausgangsimpulsfolgen erzeugt werden, deren Zahl der Zahl der vorgegebenen Punkte auf jeder Viertel-Sinusschwingung entspricht, und wobei jede der Impulsfolgen die Steigung in dem betreffenden vorgegebenen Punkt auf der Viertel-Sinusschwingung der höchsten zu"synthetisierenden Frequenz repräsentiert,

eine Untersetzungsschaltung, welche gekoppelt ist mit der ersten und zweiten Teilerschaltung, dem Muster-Generator, dem Frequenzselektor und der Frequenzteilerschaltung, und welche Wähler zum Wählen der binären Muster-Generator-Ausgangsimpulsfolgen durch jedes Ausgangssignal von den

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ersten und zweiten Teilerschaltungen sowie Modulatoren zur Impulsbreitenmodulation jedes Bit in jeder der gewählten binären Mustergenerator-Ausgangsimpulsfolgen um Modulationsgrade enthält, welche von dem Frequenzselektor bestimmt sind, und zum Erzeugen erster und zweiter impulsweiteninodulierter binärer Signale, welche Steigungen an vorgegebenen Punkten der entsprechenden ersten und zv.^reiten Sinusschwingungen repräsentieren,

einen Bitstrom-Assembler, welcher die ersten und zweiten impulsbreitenmodulierten Signale aufnimmt und die ersten uno. zweiten Signale zu einer einzigen binären Impulsfolge kombiniert, welche eine.Kombination der ersten und zweiten Sinusschwingungen repräsentiert, und

einen Analog-Digital-Umsetzer zum Aufnehmen der binären Impulsfolge und zum Erzeugen einer Ausgangsschwingungsform, deren Amplitude sich entsprechend der Menge der binären "1ⁿen und "O"en in der Impulsfolge ändert.

8. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Analog-Digital-Umsetzer eine Schaltung mit gesteuerter Ladung ist, welche einen Kondensator enthält, der durch Anlegen der entsprechenden positiven und negativen binären Bits selektiv geladen bzw. entladen wird.

9. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Frequenzteilerschaltung erste und zweite binäre Frequenztaktsignale erzeugt, welche das 28fache der gewählten ersten und zweiten Audio-Signale betragen, wobei die ersten und zweiten Teilerschaltungen ihre entsprechenden binären Taktsignale durch die ganze Zahl 7 teilen, um entsprechende sieben in gleichen Abständen vorgenommene Teilungen von 90° einer Sinusschwingung zu repräsentieren.

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10» Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet _t

daß die erste und die zweite Teilerschaltung Stufenzähler enthalten.

11. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß der Muster-Generator selbsterregte Zähler enthält, welche mit einem der binären Festfrequenz-Taktsignale arbeiten und sieben verschiedene Ausgangsinrpulsfolgen erzeugen, welche die Steigungen in sieben in gleichen Abständen angeordneten Teilen repräsentieren.

12. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die Untersetzungsschaltung wenigstens sieben Modulationsgrade zur Impulsbreitenmodulation der Impulsfolgen des Muster-Generators erzeugt, wobei der Modulationsgrad hergestellt wird durch die Dekodierung der festen binären Frequenztaktsignale, welche von der Frequenzteilerschaltung erzeugt werden.

13. . Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß der Festfrequenzsignalerzeuger von einem 3»58 MHz-Kristall gesteuert ist.

14. Signalerzeugerschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß der Frequenzselektor eine Tastaturton-Fernsprechmatrix enthält, in der zwölf von Hand betätigte Tasten zwei von sieben Audiofrequenzen wählen.

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